CN114252580A - 一种研究盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，包括内部装有透明土的透明模型箱体，模型盾构机，模型隧道，集土箱，动力杆，液压机，无线应变采集仪，计算机；箱体正面设有稳定装置，模型盾构机由刀盘、为刀盘提供动力的电动机、模型盾构机外壳、传送带及固定在传送带上的挖斗组装而成；模型隧道由模型隧道管片拼接而成，其上安设有应变片；箱体的上方、侧面与后方设有采集土体位移数据的摄像机；箱体侧面设有提供光源的激光发射器。液压机与电动机做功将使模型盾构机向前掘进，此过程中可调节其输出功率以控制掌子面压力大小，从而实现研究盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道的影响的功能。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程试验领域，尤其涉及一种研究盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置。
背景技术
近年来，随着国家基础建设的大力发展，铁路、公路及市政工程中采用盾构法修建的隧道也越来越多，盾构技术已成为我国基础设施建设中不可或缺的关键技术之一。盾构隧道开挖过程中，保障掌子面的稳定是整个工程安全性的重中之重，开挖过程中既不能因为支护力过大而使地层隆起，亦不能因为支护力过小使地层变形过小而导致地层变形过大而引起过量沉降甚至地陷；同时，在目前的建设中，新建设的盾构隧道在已有的建筑物或构筑物邻近施工的情况也是越来越常见。
目前对于盾构开挖掌子面稳定性的研究主要有理论分析法、数值模拟法及模型试验法。理论分析法往往需要进行相关模型的前提假定，假定的破坏模型较为简单，从而导致计算结果与实际的情况存在较大的差异；若假定的破坏模型被划分的更细，则计算过程会变得更加繁琐；数值模拟法存在土体物理力学参数选取困难、土体应力历史及边界条件难以模拟实际情况等不足之处。因而近年模型试验法成为了研究开挖面稳定和变形的主要手段。然而目前研究盾构隧道近接施工的模型试验相关较少，模拟的开挖过程与数据的采集手段也较为基础。
本发明设计了一种研究盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，可更真实地模拟实际条件下盾构施工掌子面压力变化对邻近构筑物及土体的影响。与现有技术相比，本方法不仅仅能够获取到盾构掌子面压力变化对土体的影响，同时还能探究对已建成的隧道所造成的应力应变及位移情况。
发明内容
本发明的目的在于针对以上问题，提供一种能够模拟实际盾构施工情况并获取其施工过程中各种参数变化，精确度相对较高，同时易操作的试验装置。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，包括内部装有透明土的透明模型箱体，安装在箱体侧面的模型盾构机，放置于箱内的模型隧道，安设于模型盾构机正下方的集土箱，搭接在模型盾构机尾部的动力杆，连接动力杆从而提供推进力的液压机，接收应变片数据的无线应变采集仪，用于调控整套系统并处理相关数据的计算机；所述箱体正面设有用于托举并稳定模型盾构机的稳定装置，所述模型盾构机由刀盘，为刀盘提供动力的电动机，模型盾构机外壳，传送带及固定在传送带上的挖斗组装而成；所述模型隧道由模型隧道管片拼接而成，其上安设有应变片；所述箱体的上方、侧面与后方设有采集土体位移数据的摄像机；所述箱体1侧面设有提供光源的激光发射器。
作为一种优选的方案，模型盾构机安装在箱体正面预设的大小恰好合适的孔洞上，并由稳定装置所托举，模型盾构机能够在该位置由外力作用下向箱体方向或远离箱体方向发生位移。
作为一种优选的方案，所述模型盾构机出土装置由挖斗铰接在传送带上组合而成，该出土装置长度应略大于模型盾构机外壳。
作为一种优选的方案，所述模型隧道由多块模型隧道管片拼接而成，其上安设有应变片。
作为一种优选的方案，所述模型盾构机正下方设有集土箱，其大小应满足能够收集模型盾构机排出的全部土。
作为一种优选的方案，动力杆应搭接在模型盾构机外壳外部，另一端连接液压机，在液压机做功时，模型盾构机将被推向箱体方向抑或远离箱体方向。
作为一种优选的方案，电动机传动部分应与刀盘中心相连接，电动机做功时应驱动刀盘转动。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过控制液压机及电动机的输出功率，能够控制模型盾构机的掘进速度及掌子面压力大小，从而实现模拟真实施工中盾构掌子面压力变化的过程；同时，透明的模型箱体及透明土体为掌子面压力变化导致的土体位移及已建成隧道的变化提供了可视化的监测过程，粘贴在隧道上的应变片则为此提供了更为精准的监测数据，使得本试验装置能够为实际施工过程中盾构隧道开挖近接施工提供一定的参考，尤其有助于研究掌子面压力变化对已建成隧道的应力应变及位移的影响和对土体位移的影响，从而避免盾构施工过程中出现安全事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明模型箱侧剖面图。
图3是本发明模型隧道局部放大图。
图4是本发明模型盾构机侧剖面图。
图5是本发明出土装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1至图5所示，本实施例涉及研究盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，包括内部装有透明土的透明模型箱体1，安装在箱体侧面孔洞上的模型盾构机2，放置于箱内的模型隧道3，安设于模型盾构机正下方的集土箱4，搭接在模型盾构机尾部的动力杆5，连接动力杆从而提供推进力的液压机6，接收应变片数据的无线应变采集仪9，用于调控整套系统并处理相关数据的计算机10；所述箱体1正面设有用于托举并稳定模型盾构机的稳定装置1-1，所述模型盾构机2由刀盘2-1，为刀盘提供动力的电动机2-2，模型盾构机外壳2-3，传送带2-4及固定在传送带上的挖斗2-5组装而成；所述模型隧道由模型隧道管片3-1拼接而成，其上安设有应变片3-2；所述箱体1的上方、侧面与后方设有采集土体位移数据的摄像机7；所述箱体1侧面设有提供光源的激光发射器8。
本试验装置可以通过控制模型盾构机2的推进速度及刀盘旋转速度来实现掌子面压力的变化，从而模拟实际情况下掌子面压力的变化情况；同时，可以通过改变模型隧道3与模型盾构机2的相对位置，从而模拟真实施工中盾构开挖近接施工的不同情况，从而建立一个能够模拟真实施工过程中盾构施工掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验模型；该模型能够用于研究盾构施工过程中邻近隧道的力学性能变化及隧道邻近土体位移的情况，使得该模型试验的结果可以为真实施工中盾构掌子面压力变化对邻近隧道及周边土体的影响提供参考，尤其有助于研究隧道的变形与位移，邻近土体的位移，避免盾构近接施工过程中出现安全事故。
如图1所示，所述动力杆5一端连接在模型盾构机外壳2-3尾部，另一端连接在液压机6上，通过驱动液压机6能够为模型盾构机2提供稳定的推力；液压机6工作情况由计算机10控制。
如图1所示，所述无线应变采集仪9采集所得数据均发送至计算机10进行处理分析；所述摄像机7摄像频率及其他设置均由计算机10进行控制，摄得图像均传回计算机10进行处理分析。
如图1、图2、所示，所述模型盾构机2安装于透明模型箱体1正面，由稳定装置1-1托举并维持稳定，盾构机掘出的土将从尾部排出并掉落至集土箱4。
如图2、图4、图5所示，所述刀盘2-1由电动机2-2带动，电动机2-2输出功率由计算机10控制；所述刀盘2-1切削下的土体将收集到模型盾构机外壳2-3内部，并由出土系统运送至模型盾构机外部；所述出土系统由传送带2-4与挖斗2-5组成，挖斗2-5铰接于传送带2-4之上，传送带2-4转动时，将同时带动挖斗2-5，从而铲起堆积在模型盾构机内部的土，并运送至模型盾构机尾部并卸除；所述传送带2-4与挖斗2-5所组成的出土系统，其长度应略大于模型盾构机外壳2-3，从而实现出土功能。
如图3所示，模型隧道3由3-1模型隧道管片拼接而成，以更真实地模拟盾构隧道结构；应变片3-2按一定的间隔粘贴在模型隧道表面，以读取模型隧道的应力应变情况。
本发明的工作原理：
试验开始前，先将模型盾构机2安装至透明模型箱体1正面，并安装好连接杆5与液压机6；而后往透明模型箱体中填充透明土至一定高度，放入拼装好的模型隧道3，再次填充透明土至预设高度；打开激光发射器8，在透明土体中形成稳定的三向散斑切面；启动计算机10、无线应变采集仪9与摄像机7，并由计算机10控制液压机6与电动机2-2启动，开始进行模拟掘进；模型盾构机2推进及掘进至指定位置时，可通过计算机10控制液压机6与电动机2-2输出功率，从而改变掌子面压力大小，从而获取模型隧道在不同情况下的应力应变情况；模型隧道的应变数据由应变片3-2进行采集并发送至无线应变采集仪9上，再由无线应变采集仪9将相应电信号转化为数据发送至计算机10进行处理；土体的变形位移情况由摄像机7进行拍摄采集，摄得照片发送至计算机10进行分析处理。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，包括内部装有透明土的透明模型箱体1，安装在箱体侧面的模型盾构机2，放置于箱内的模型隧道3，安设于模型盾构机正下方的集土箱4，搭接在模型盾构机尾部的动力杆5，连接动力杆从而提供推进力的液压机6，接收应变片数据的无线应变采集仪9，用于调控整套系统并处理相关数据的计算机10；所述箱体1正面设有用于托举并稳定模型盾构机的稳定装置1-1，所述模型盾构机2由刀盘2-1，为刀盘提供动力的电动机2-2，模型盾构机外壳2-3，传送带2-4及固定在传送带上的挖斗2-5组装而成；所述模型隧道由模型隧道管片3-1拼接而成，其上安设有应变片3-2；所述箱体1的上方、侧面与后方设有采集土体位移数据的摄像机7；所述箱体1侧面设有提供光源的激光发射器8。
2.根据权利要求1所述的一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，模型盾构机2安装在箱体正面预设的大小恰好合适的孔洞上，并由稳定装置1-1所托举，模型盾构机2能够在该位置由外力作用下向箱体方向或远离箱体方向发生位移。
3.根据权利要求1所述的一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，所述模型盾构机2出土装置由挖斗2-5铰接在传送带2-5上组合而成，该出土装置长度应略大于模型盾构机外壳2-3。
4.根据权利要求1所述的一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，所述模型隧道3由多块模型隧道管片拼接而成，其上安设有应变片3-2。
5.根据权利要求1所述的一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，所述模型盾构机2正下方设有集土箱4，其大小应满足能够收集模型盾构机2排出的全部土。
6.根据权利要求1所述的一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，动力杆5应搭接在模型盾构机外壳2-3外部，另一端连接液压机6，在液压机6做功时，模型盾构机2将被推向箱体方向抑或远离箱体方向。
7.根据权利要求1所述的一种研究盾构掌子面压力变化对已建成隧道影响的试验装置，其特征在于，电动机2-2传动部分应与刀盘2-1中心相连接，电动机做功时应驱动刀盘转动。
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